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DesignExpert响应面分析实验设计案例分析和CCD设计详细教程

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DesignExpert响应面分析实验设计案例分析和CCD设计详细教程PAGE\*MERGEFORMAT#PAGE\*MERGEFORMAT#食品科学研究中实验设计的案例分析—响应面法优化超声波辅助酶法制备燕麦ACE抑制肽的工艺研究摘要：选择对ACE抑制率有显著影响的四个因素：超声波处理时间(XI)、超声波功率(X2)、超声波水浴温度(X3)和酶解时间(X4),进行四因素三水平的响应面分析试验，经过Design-Expert优化得到最优条件为超声波处理时间28.42mm、超声波功率190.04W.超声波水浴温度55.051、酶解时间2.24h,在此条件下燕麦ACE抑制肽的...

DesignExpert响应面分析实验设计案例分析和CCD设计详细教程

PAGE\*MERGEFORMAT#PAGE\*MERGEFORMAT#食品科学研究中实验设计的案例分析—响应面法优化超声波辅助酶法制备燕麦ACE抑制肽的工艺研究摘要：选择对ACE抑制率有显著影响的四个因素：超声波处理时间(XI)、超声波功率(X2)、超声波水浴温度(X3)和酶解时间(X4),进行四因素三水平的响应面分析试验，经过Design-Expert优化得到最优条件为超声波处理时间28.42mm、超声波功率190.04W.超声波水浴温度55.051、酶解时间2.24h,在此条件下燕麦ACE抑制肽的抑制率87.36%。与参考文献SAS软件处理的结果中比较差异很小。关键字：Design-Expeil响应面分析比较分析表一响应面试验设计因素—水平-101超声波处理时间-K(min)203040超声波功率足132176220超声波水浴温度-UCC)505560酶解时间・l；(h)123Design-Expert响应面分析分析试验设计包括：方差分析、拟合二次回归方程、残差图等数据点分布图、二次项的等高线和响应面图。优化四个因素(超声波处理时间、超声波功率、超声波水浴温度、酶解时间)使响应值最大，最终得到最大响应值和相应四个因素的值。利用Design-Expert软件可以与文献SAS软件比较，结果可以得到最优，通过上述步骤分析可以判断分析结果的可靠性。2.1数据的输入2.2Box-Behnken响应面试验设计与结果C:\Ddom1我伽只IFe28处空53城■⑥tger刀84082W<(••»»•»如83083082W<(••»20«»28308308»<»»•»20«»408R8408»•»»•»»•»308308308176£0irc»irc»175tovero132»Z»£Oirc»irc»irc»1»O»23)O»1»O»Z»£Oirc»ircco'•r•.s<«iF1>MHI2.3选择模型,)：282620)10)10)、8、81«»10)30)30)2828沏20)20)28282810)10)30)、82828□«»t•-•icr«fKItcwl5?rall.£VT'Q八C:\Ddom«atxxndSvttJM2K.dxT-Dextfa-fixtMtctT.1.1SB®C:\Ddom«atxxndSvttJM2K.dxT-Dextfa-fixtMtctT.1.1SB®PAGE\*MERGEFORMAT#PAGE\*MERGEFORMAT#til«lii»>lv[>n>^f««l»•QltflQl>|»|e|>2|?|y|-Jforztf^rmKS.-抚Cw勿(S30■父G«r?lJG«ic*tCcArrtKLk如皿g，L,.£r|/*!v*>9fEi&*：・-百Pceimdrtsny'TrvafMnictoiQMHIPawg|c<«»*■]Satectai▼c^mn^i^zzz2.4方差分析-■;crs^仇'r*9・，b比oAwsfirittita*.■icwC1»>lvf««l»£«ly0|tf|H]2l^|P|a|?lV|-Jr9f-b)«rId”，Fl_$u•利fSowsSqu・・・■・Y4肌・b・rM>M101*147243043”0(X01皿1皿awn1«11«05匸"jesMF031阳02,"独材1«00»，AB1:wvewfX51T-CW0AC1aa»/AD1:wvew,乂ir-z0SCog1og0朋，0W&>54W6-M)1OXoaw31，曲fiti9a/1i/»adOM,孚\2415a023/a咖1咖0“adOM,苗1«00»，T.S2R12016MS2為W022”503,Ar»£»wecu2PANCcekt.!««X94Oe*0<30今栩M«n"河Z%0S10初MIT551224AdiqFVeaE21^12如WM.Kt.ClHSC1•«(»•<■10*杠gg1OX知3g1012•0药04A»t-■icrs^fQ「君S’s3巾比.07wsanritto-aw.c■icr・,・Rtf»e1£O在本例中，模型显著性检验p<0.05,表明该模型具有统计学意义。由图4知其自变量一次项A,PAGE\*MERGEFORMAT#PAGE\*MERGEFORMAT#£|BiXE,D,二次项ACAEQD显著(pvoa)。失拟项用来表示所用模型与实验拟合的程度，即二者差异的程度。本例P值为0.0861>0.05,对模型是有利的，无失拟因素存在，因此可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进行分析。xnd察Itjo&G席底法H化潑户8猪"1決斜务ME血丫~DK»*ca-ixtMtrtT.1.tltl«14i»>lvf««l»>SroOe***MrtEH0*3OS!1224A*q5¥ea50今栩"河oarw21212gg•OW0»c•怨《聊捲鼻或0-aic1S&ABA：•1.1G22«xe-aoacco:'■a口COA-.1弘B54)<$ci■130D-■321•w€<•«110121012101210.121E1E1021102110211E10191019iaisiaisH%CIma10*Wf知3•ora■oxfco0M5o«fco•041Oilfcow任1Wg0Q1W•询•0701W•o«02fco•04702fco-o»>£4.图5由图5町知：校正决定系数Rpadj)(0.9788>0.80)和变异系数(CV)为0.51%,说明该模型只有2.12%的变异，能由该模型解释。进一步说明模型拟合优度较好，可用来对超声波辅助酶法制备燕麦ACE抑制肽的工艺研究进行初步分析和预测。2.5多元二次响应面回归分析图6通过Design-Expeit软件进行二次响应面回归分析，得到如下多元二次响应面回归模型:H%)=—146.18542+2.23483X1+0.095966X2+6.40533X3+14.56083X4一0.016775X12+5.68182x106Xi%2-0.023300XiX3+0.00025XiXi-2.49225x104Xi2-4.59229x10一0.000625X1X4一0.052150X4—0.0005XX—3.21125XF!^C:\DOcu»«atxa&4SKttinex\x<&<\^ai\z•:nKlijun«P?SiattmP卢越碼曲•法农M2dxT-加"“-fix”"T.i.1flIB]®PAGE\*MERGEFORMAT#PAGE\*MERGEFORMAT#2.6数据点的分布图C:\Ddomlv[jn>cnT««l»>«l>0囱刨1刨已豐121型1-Jror口Cw勿-UcwKtwL列m個22b523.色伽Scdcsnl|a>»M«4-fiN口*I込CecnartcK[^>30<计Design-Expert?Softv/areR1ColorpointsbyvalueofR1:187.23Residualsvs.Predicted36>i<・c.|・n|PJu«rtce*ib・》.F°CWr1心ir,—*60860rads-enprscap*«*-色伽內esc初ny'rrwutarrt•£reSuvtmvfi>JMc-Expert?Soft\vareR1ColorpointsbyvalueofR1:■87.2380.36口->icr«S«fK.Predictedvs.Actual"込—8183—KKB—83仍0544Actual®•icr«>»fK.PCUPMQ0?.»—&533—fil«lit*.Si«*QiiflvQ>tto>T<»1>tfely0|Q旧1WI0I7ISI-r*o«柳财>50E兰仙EVLCWiCurr*®Siatoi•MfntTw伽*—I4h•>*«**：伽SMC仙'•r•«!>.>r«MFlI开绘."HIykTrmitor•-MSuvtmy心)Mc-Expert?SoftwareR1ColorpointsbyvalueofR1：87.2380.36senpSC0PCN二ucp-二s>=e£c-xUJExternallyStudentizedResidualsRunNumber0-tftcrasafK.91F««rF.从图7・9可知道，数据的分布的线性明显，没有出现异常的数据点。尖C八DxuxtU*a&4SKttinEx\xl\z«nKlijun«r7ai^ttmP卢濟磅滋•法羽M2dxT-D»xiK«l«yY<»1>B«ly抄則匹」«]12l-Jr«*MWz&如ms面do«柳Emm”,UcwiCc««•臣ZZf*M4An*«IjbswAomheocwn'•r•«!>.”eFla**了、'A|忑CU9iM>cg[J；HxMGV4levtf^KRe^al购”山(#«T$知2下0頼04?90⑷曲««/o»0»310181W713M0574/0120»304M041004M"Af0270»30352asee1IMdll3/0130觀(•网oK«l«yImsTabtf«lyQl^BJ匹」呂1?创-IWztf^WSi-m0«枷lEA：如”,LjgcMSirm巴Eiatai-Ltjiuxs“-mr^tnythSW色伽FudcwnI/**>tMTrm«»orrDe$»gr>-Expert?Soft\vareR1•DesignPointsX1=A1超声波处理时间(mm)X2=B超声強功卒｛w)ActualFactorsC:超務波水倍ifl度CC)・55,00D静解时(0»h)-2.00(多)烬柠垛M.®aZ3DD3132CD0-ticraaafK.R1応8—154K)—258WW353A:超声波处理旳间(min)00图11A与B对ACE抑制率影响的等咼线图12A及B对ACE抑制率影响的响应面关GUitw—Q*b&4SKttinExXxc&cKjtSaiKxvnEHjun^lPrltiattm?卢窝磅攻•法羽省M2dxT-Dcytca-KjtpotT.I.I关GUitw—Q*b&4SKttinExXxc&cKjtSaiKxvnEHjun^lPrltiattm?卢窝磅攻•法羽省M2dxT-Dcytca-KjtpotT.I.I图14A及C对ACE抑制率影响的响应面PAGE\*MERGEFORMAT#图14A及C对ACE抑制率影响的响应面PAGE\*MERGEFORMAT#fil«li«».S»«*QiiflvQ>tto>T<»1>tfely0]^Q\l^b£j3iBlskw•土伽Qw…I3“卜少叫r・ykTrarwtaTG••FtSovtmvgMc-Expert?SoftwareR1•DesignPointsX1=Ai超声強处理时间(mm)X2=C:超声波水浴ActualFactorsB:趙声渋功率(w)・17600D龄解时(B](h}-2.00r-辽赳明從氓變K53009^kt-ftcraia^.»>lvf««l»>-2-勺PcM^Bdrtan”fa,"|运Htari7f|>>，心刹|吐WtJ/K|忑CMF>3rtc4^iachiG^>40ro^x^3000A:超声波处理时fBl(min)5000^00Par!*!,,Fl]•0W5‘was1~丽1—/rf开矩55Co4□・•.cr.i.fv=uit)t5*C:\Docu»tfely□Is^HJ卜|创？创-I附》rc**<*-f；伽StdM[LE]A3卜"w・'•r•.”eFlr】开绘>t5Hiy>Trmifcrr;•flSuvtmvgUcxMDesign-Expert?SoftwareR1•DesignPointsXI=A:超声波处理时(fij(mm)X2=D:SJ鮮时Ifll(h)ActualFactorsB：超声蛙功率(w)・176.00C:超为波忒倍ifl度CC)・55,0038R11DD20CO2(n—WWSi・i

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^17600—B：超声波功率(W)5000^13200IS18B及C对ACE抑制率影响的响应面5«C:\D«.cu*tf«lyQ|^H|連三J*b•>**<**：伽StdMy、TrmttarnDesign-Expert?Soft\vareR1•DesignPointsXI=B:超声谀功»(w)X2=D:SJ鮮时Ifll(h)~riSuvtmy3MxMA»y»>lvT««1j•«!>0|彦冋丄剛创剑？明|-JW522«t^rJRKS,咒Cw卯S50E®j父5»7口G<<#»«：€<»ra7Esvl^n-■:XrtHymLL&lAml^zMi\iC/mmzMf->32"!心£|G<*：・•勺PxiEdrtanTrarorwn^mr(f|a)，心d■fe“s»|Gc*^Qrtc・|Btotto>T<»1>tfelyQitfoi9lh•>*«*•匕伽StdM'•r•«!>.>r««Fl*r*n•-FlSw^ygUxM£AJWVAa«rco>ciDe$»gr>-Expert?Soft\vareR1•DesignPointsX1=c：超声波水浴绘度CC}x2=d：aa鮮时间6)ActualFactorsA:趙声蛙处理时间(min)-3000B:趙声蛙功率(w)・176003828K)750«co5260R1«(»C:超声波水浴盅度CC)BE®图21C与D对ACE抑制率影响的等咼线C:\Doom4atxxnd察(k\xcn<“igGHTlk法"化潑08轩以・戎制务id多"■・<1*T-Dextcn-fix^KtT.I.1ltl«lii»>lvf««l»>•feNS8482»5De$ign-Expert?Softv/areR1•Designpointsabovepredictedvalueo87.2380.36XI=C：超声波木俗盘度(f)X2=D:凰解时间{h}ActualFactorsA•超声波处理时间(min)■30.00厂B：超声波功率{w}・176,00比2S200D：酹解时间(h>—C彫声波水浴温度(C)Too^soooJ«rl«ly,S«»Fl|•13"*WHS.厂丽1~~'/*/Kc'gj<*“oi"輕K"1L3>Q1*41-•«cr«>«fK=K11—.it)i^C:\Docu»«atxa&4弘Ui”讥i，un■该M住代化匍产済碼如戎创尙0多M2dxT-D"*d-b|»«MT.I.1SI&®PAGE\*MERGEFORMAT#PAGE\*MERGEFORMAT#2.8优化最佳因素C*C:\Do«ru»«atxa&4inz讥“竺\襲Si\3用度段计“•悴tk法便化P声®轩SlIR法左务ME•七7・t«xiCn-£xpi：rt图23图241<1«141*.X»«*C»>K«l«yQ>^<«>>l«>sp)Y<»1>B«ly亜上I何也7胡|-Jr«*Mrwz^^rlfiaas«：0«柳l*c»xjE?!如MV[JCf^fiCciUfA3Eiatai-JSJMfatLJ]mB■>«»««・*hsw-fcjAomheocwnJKCntata/S«4cnx日Cr•加15冠荻诵乔？越0波承港应度(€)*)■UU9I、zv*ZJU*t.”eF1500060.00.00£l刃：住5F719矜匕开绘.匚鈕2ttit-tlcrasafK.理CXxumc*让UA图25图26图272.9最佳因数和最大响应面值E八总加傍图28利用响应面设计实验，运用根据Box-Beiiliiiken的中心组合试验设计原理,选择对ACE抑制率有显著影响的四个因素：超声波处理时间(XI)、超声波功率(X2)、超声波水浴温度(X3)和酶解时间(X4),做四因素三水平的响应面分析试验。最终得到最佳工艺：超声波处理时间28・42mm、超声波功率190.04W、超声波水浴温度55・05°C、酶解时间2.241kACE抑制率87.36%。Design-Expert处理结果与文献比较Design-Expert在响应曲面、等高线图以及回归方程处理的结果与文献中SAS软件处理的结果进行比较：表二Design-Expert与文献SAS处理结果比较尤化条件软用超声波处理时间超声波功率超声波水浴温度酶解时间ACE抑制率文献(SAS)28.40nun190.08W55・05°C2.25h87.50%Design-Expert28.42inin190.04W55・05°C2.24h87.36%根据两个软件处理结果的数据比较可知各因素最佳工艺条件差异小。案例实验设计和统计分析过程评价案例中通过Design-Expert软件操作和截下重要的步骤的数据处理的过程的图片，这样可以方便分析和描述，Design-Expert软件能够用清晰和直观的图表表示结果，利于分析，并能够很好的对照和检验文献的数据处理的结果存在的问题和差异。Design-Expeil在响应面分析有很强大的功能，能够与文献中SAS软件计算的数据进行比较，SAS软件在计算最大响应面值优于Design-Expert软件，从“ACE抑制率”的比较可知，但差异不大。所以文献中数据没有问题，从分析的结果可知。PAGE\*MERGEFORMAT#PAGE\*MERGEFORMAT#CCD工作原理一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCDT作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图彖分辨率很高。要了解CCD的原理，必须对半导体的基本知识有一些了解，可参见附录。一.CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电用时，其电场能够透过Si02绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。I帶号电衙（b）图1CCD结枸和工怅原瑾图闾用作少数碗予上衫笙元田mos电寥卷訓面创⑹敢5号◎衙的殄洙関上用瞬舷的京世代农总之，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成彖素，既可“感光”又可留卞“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个彖素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。二电荷的转移与传输CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器，它的表面由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。由上面讨论可知，MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。制造时将MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通二认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2um）,在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。为了保证信号电荷按确定路线转移，通常HOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理。1.三相CCD传输原理简单的三相CCD结构如图2所示。每一级也叫一个像元，有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极（如1、4、7……,2、5.8……,3、6、9……）都接在一起，由3个相位相差120°的时钟脉冲4）3来驱动，故称三相CCD,图2（a）为断面图；图（b）为俯视图；图（d）给出了三相时钟之间的变化。在时刻5第一相时钟4处于高电压，4、机处于低压。这时第一组电极1、4、7……下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图（c）所示。在t：时刻b电压线性减少，仪为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（2、5、8……）电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到S时刻，为高压，輸、札为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。重复上述类似过程，信息电荷可从4转移到快，然后从“3转移到，电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级（一个(b)rAt3tlt2t3t4(d)图2三相CCD传输原理图像元），依次类推，信号电荷一直由电极1、2、3……N向右移，直到输出。2-二相CCD传输原理CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的•在三相CCD中是靠时钟脉冲的时序控制，来形成非对称势阱•但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱，从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD中多采用二相结构•实现二相驱动的方案有：阶梯氧化层电极阶梯氧化层电极结构参见图3o由图可见，此结构中将一个电极分成二部分，其左边部分电极下的氧化层比右边的厚，则在同一电压卜：左边电极下的位阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用.设置势垒注入区（图4）对于给定的栅压，位阱深度是掺杂浓度的函数•掺杂浓度高，则位阱浅•采用离子注入技术使转移电极前沿卜•衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。（a）结构示意（b）驱动脉冲图3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构图4采用势垒注入区形成二相结构三.电荷读出方法CCD的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS放人器电压法.图5电荷读岀方法输出二极管电流法(b)浮置柵MOS放大器电压法(c)输出级原理电路图5(a)是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管，当二极管加反向偏置时，在PN结区产生耗尽层。当信号电荷通过输岀栅0G转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出。输出电流的人小与信息电荷人小成正比，并通过负载电阻Rl变为信号电压U。输出.图5(b)是一种浮置栅MOS放人器读取信息电荷的方法.MOS放人器实际是一个源极跟随器，其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制，所以源极输出随信号电荷变化•为了接收下一个“电荷包”的到来，必须将浮置栅的电压恢复到初始状态，故在MOS输出管栅极上加一个MOS复位管。在复位管栅极上加复位脉冲g使复位管开启，将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位.图5(c)为输出级原理电路，由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管，口I使栅极等效电容C很小。如果Q电荷包的电荷为QA点等效电容为C,输出电压为Uo,A点的电位变化△U=—乙,因而可以得到比较人的输出信号，起到放大器的作用，称为浮置栅MOS放人器电压法。图7为TCD1206UD(注：这里的CCD型号与我们实验中用的稍有不同，但原理都一样)的结构示意图，它为一双通道二相驱动的线阵CCD器件，共有2160个光敏元。奇数光敏元与其中一列移位寄存器相连，偶数光敏元与另一列移位寄存器相连。移位寄存器的像元数量与光敏光相同，相邻像元中的一个与光敏元相连，并接如脉冲，另一个不直接与光敏元连接，接02脉冲，如图4所示。图8为各路脉冲的波形图。SH信号加在转移栅上。当SH为高电平时，正值b为高电平。移位寄存器中的所有輸电极下均形成深势阱，同时SH的高电平使光敏元MOS电容存储势阱与輪电极下的深势阱沟通，光敏MOS电容中的信号电荷包迅速向上下两列移位寄存器中与4连接的HOS电容转移。SH为低电平时，光敏元与移位寄存器的连接中断，此时光敏元在外界光照作用卞产生与光照对应的电荷，而移位寄存器中的信号电荷在氛时钟脉冲作用下由右向左转移，在输出端将上下两列信号按原光敏元采集的顺序合为一列后，由输出端输出。0】图7TCD1206UD结构示意由于结构上的安排，输出电路首先输出13个虚设单元的暗信号，再输出51个喑信号，接着输出2160个有效信号，之后再输出10个暗电流信号，接卞去输出两个奇偶检测信号，然后可输出多余的暗电流信号。由于该器件为双列并行传输的器件，所以在一个SH周期中至少要有1117个4>i脉冲，即Tsh>U17Tio4脉冲与4脉冲互为反相，即氛高电平时4为低电平，4为低电平时札为高电平。为复位信号，对于双通道器件而言，它的周期是44的一半，即在一个©L（"脉冲周期内有两个机脉冲，且松的下降沿稍超前的变化前沿。&为像元同步脉冲，"c为行同步脉冲，用作CCD与其它信号存储、处理设备连接时作同步信号。Uo为输出信号。卜积分H寸间——►SHrLTLrLrm_rLr0_mjmUULUJlJUULJLMULJL<54个哑兀■丄彳亍谢（1）（1）图8各路脉冲波形图单九〉nnTULn___一丄60个彳育匕彳询訂逮“丿AJJUJCa—223<5半导体的基本知识一、什么是半导体？在口常生活和生产实践中，人家都知道，银、铜、铝、铁等金属材料是很容易导电的，叫做导体；而塑料、陶瓷.橡皮.石英玻璃等却很不容易导电，尽管加很高的电压，仍然基本上没有电流,通常称为电的绝缘体。半导体的导电性能则介于导体和绝缘体之间。为什么会出现有的物质容易导电，有的物质不容易导电这种现彖呢？根本原因在于事物内部的特性，在于物质内部原子与原子结合的方式以及原子本身的结构，看其内部运载电荷的粒子（叫做载流子）的多少和运动速度的快慢。我们知道原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，电子分几层围绕原子核作不停的运动。比较起来，金属材料的外层电子受原子核的束缚力最小，因此有人量电子能够挣脱原子核的束缚而成为自由电子。这些自由电子就成为运载电荷的载流子，它们在外电场的作用下作定向运动而形成电流。所以金属的导电性能良好。绝缘材料中，原子的外层电子受原子核的束缚力很人，很不容易挣脫出来，因此形成自由电子的机会非常小。绝缘材料原子结构的这一特点决定了它的导电性能很差。半导体材料的原子结构比较特殊，其外层电子既不彖导体那样容易挣脫，也不彖绝缘体那样束缚很紧，这就决定了它的导电特性介于导体和绝缘体之间。二、半导体中的另一种载流子一空穴在半导体中不仅有电子这样的载流子，而且还有另一种载流子一一空穴。那么什么叫空穴呢？首先让我们来看半导体材料硅和铐的原子结构，如图1所示。它们的特点是最外层的电子都是四个。通常，原子的外层电子叫做价电子，有几个价电子就叫几价元素，所以硅和铐都是四价元素。(a)硅(Si)原子给构(b)猪(Ge)原子结构图1当硅、铐等半导体材料制成单晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态。其中，原子之间的距离都是相等的，约为2.35X104微米。每个原子最外层的四个电子，不仅受自身原子核的束缚，而且还与周I韦I相邻的四个原子发生联系。这时，每两个相邻的原子之间都共有一对电子。电子对中的任何一个电子，一方面围绕自身原子核运动，另一方面也时常出现在相邻的原子所属的轨道上，这样的组合叫做共价键结构，如图2(a)中所示。空穴由原子理论和实践可以知道，每个原子的外层有八个电子属于比较稳定的状态，但是硅、铐的共价键结构的特点是它们的外层共有电子所受到的束缚力并不象在绝缘体里那样紧，在一定的温度下，由于热运动，其中少数电子还是可能挣脱束缚而成为自由电子，形成为电子载流子。值得注意的是，共有电子在挣脱束缚成为自由电子后，同时留下了一个空位，见图2(b)o有了这样一个空位，附近的共有电子就很容易来进行填补，从而形成共有电子的运动。这种运动，无论是效果上还是现象上，都好象一个带正电荷的空位子在移动。为了区别于自由电子的运动，就把这种运动叫做“空穴”运动，空位子叫做“空穴”。打个通俗的比方，好比人家坐在一起看节目，如果前面走了人出现一个空位，后面的人递补空位向前坐，看起来就好象是空位子在向后运动一样。显然，这种空位的移动同没有座位的人到处走动不一样，后者好比是自由电子的运动，而有座位的人依次递补空位的走动则好比是空穴运动。由此可见，空穴也是一种载流子。当半导体处于外加电压作用之卞，通过它的电流可以看作是由两部分组成：一部分是自由电子进行定向运动所形成的电子电流，另一部分是共有电子递补空穴所形成的空穴电流。它们的区别是，电子电流是带负电的电子的定向运动，而空穴(由于它的运动方向和电子相反)电流是带正电的空穴的定向运动。所以，在半导体中，不仅有电子载流子，而且还有空穴载流子，这是半导体导电的一个重要特性。由于物质总是在不停地运动着，这就使得半导体里因为热运动而不断产生自由电子，同时则出现相应数量的空穴。因此，电子和空穴总是相伴而生、成对出现的，我们称之为电子■空穴对。另一方面，自由电子在运动中又会与空穴重新结合而消失，这是一种相反的过程，我们叫做复合。电子-空穴对又产生，又复合，这就是半导体里不断进行着的一对矛盾。在一定温度条件下，这对矛盾可以实现相对的平衡，这时，产生和复合的过程虽然仍在继续不断地进行，但电子■空穴对却始终维持一定的数目。三、P型和N型半导体上面分析的是纯单晶半导体，在这种半导体里，虽然多了一种空穴载流子，但是，载流子的总数离开实际应用的要求，也就是从具有良好导电能力的要求来看，还相差很远，所以其本身用处不人。半导体技术之所以能够这样迅速地发展，主要是由于人们能够精确地控制半导体的电学特性，而所用的方法就是在纯单晶半导体中掺入有用的杂质，使其导电特性得到很人的改善，因而获得了重要的用途。例如，硅单晶中掺入少量的硼，就使半导体中空穴载流子的数目剧增，导电特性人为加强。这是什么道理呢？让我们来观察图3(a),它是掺入的硼原子与硅原子组成共价键结构的示意图。由于硼原子数目比硅原子要少得多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替了。我们知道，硼是三价元素，即外层只有三个电子，所以当它与硅原子组成共价键时，就自然形成了一个空穴。这样，掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目人人增加。这种半导体内几乎没有自由电子，主要靠空穴导电，所以叫做空穴半导体，简称P型半导体。如果硅单晶中掺入的是磷、铢等五价元素，那么情况就又不一样了。硅原子和磷原子组成共价键之后，磷外层的五个电子中，四个电子组成共价键，多出的一个电子受原子核束缚很小，因此很容易成为自由电子。所以，这种半导体，电子载流子的数目很多，主要靠电子导电，叫做电子半导体，简称N型半导体，如图3(b)所示。7_…〜\s/实际上，半导体中经常是既有P型杂质，又有N型杂质，那种杂质的浓度人，就由那种杂质决定其导电类型。比如，在硅中先掺入磷，成为N型硅，然后再掺入硼，那么当硼的浓度大大超过磷时，N型硅就转化成了P型硅，使原子的自由电子绝人部分与空穴复合，剩下的自由电子数目就变得很少了。总结这一节可以得出结论：决定半导体导电特性的，不仅有电子导电，而且还有空穴导电。在纯单晶中，掺入有用的杂质，可使半导体的导电特性人增强，由此获得所需要的P型半导体和N型半导体，作为各种半导体器件的基本组成部分。

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